一种提高GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀的锻造方法

技术领域

本发明属于锻造热加工领域，涉及一种提高GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀的锻造方法。

背景技术

GH4169系高温合金是航空发动机上使用最广泛的一种合金，主要用于燃烧室部件，由于该合金长期工作于高温高压条件下，对零件的组织和性能要求非常苛刻。环形模锻件本身结构较简单，在常规锻造中，采用饼坯锻造成型，中心孔位置为模锻连皮，或采用环坯直接模锻成最终锻件，经生产实践证明，以上锻造方法材料利用率低，且锻件不同部位变形量差异大，存在较大变形死区，造成锻件变形死区位置组织未进行动态再结晶或再结晶不足，使锻件组织存在不均匀的晶粒组织或混晶严重，无法满足标准要求，进一步影响锻件各部位性能差异性大，难以满足零件使用要求。因此，研究锻造工艺对锻件组织均匀性的影响，控制晶粒尺寸，对提高环形模锻件的性能有非常重要的意义。

发明内容

发明目的：提供一种提高GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀的锻造方法，提高GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀性，使其满足标准要求，进一步保证零件各部位性能良好且稳定。

技术方案：

一种提高GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀的锻造方法，包括：

步骤1：制作两套模具，其中一套为终锻模、一套为预锻模，模具材料均为5CrNiMo；预锻模的型腔为圆环，型腔的上下两个端面均为从内向外逐渐向上倾斜；

步骤2：进行制坯一火锻造：把规格下料的GH4169系棒材在电炉中加热到980℃-1020℃的锻造温度保温至热透，预热自由锻锤锤砧≥150℃，在自由锻锤上完成第一变形量的镦粗变形，后经过滚圆、冲孔完成制坯一火锻造，空冷至室温，机加内孔至要求尺寸，去除内孔毛刺及缺陷，得到第一环坯；

步骤3：进行制坯二火锻造：将第一环坯在电炉中加热至980℃-1020℃的锻造温度保温至热透，预热自由锻锤锤砧≥150℃，将坯料放置在马架扩孔工装上，经过自由锻锤扩大内孔尺寸得到第二环坯，马架扩孔环坯变形量为第二变形量，第二变形量小于第一变形量，空冷至室温；

步骤4：利用预锻模对第二环坯进行预锻锻造：预热预锻模具≥250℃，将第二环坯在电炉中加热至980℃-1020℃的锻造温度保温至热透，热透后出炉采用合适尺寸的保温材料进行软包套，回炉保温0.5-1h后，在预锻模中采用对击锤进行锻造，单击成型，每锤间隔时间2-5s，锻造变形量为第三变形量，锻后空冷至室温，采用水切割方式去除毛边，得到预锻件；

步骤5：利用终锻模对预锻件进行终锻锻造：预热预锻模具≥250℃，将预锻坯料在电炉中加热至980℃-1010℃的锻造温度保温至热透，热透后出炉采用合适尺寸的保温材料进行软包套，回炉保温0.5-1h后，在终锻模中采用对击锤进行锻造，前5锤单击成型，每锤间隔时间3-5s，后续继续单击成型，每锤间隔时间2-4s，锻造变形量为第四变形量，第四变形量大于第三变形量，终锻温度控制≥910℃，锻后空冷至室温，采用水切割方式去除毛边，得到最终锻件。

进一步地，步骤1中，预锻模型腔的上下两个端面的倾斜角度为10°至20°。

进一步地，步骤1中，预锻模型腔的上下两个端面为曲面。

进一步地，第一变形量为30％-60％。

进一步地，第二变形量为25％-40％。

进一步地，第三变形量为20％-30％。

进一步地，第四变形量为30％-70％。

进一步地，预锻和模锻过程的锻造设备为400KJ对击锤，设备风压为0.6-0.5Mpa。

有益效果：

本发明所述的提高GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀的锻造方法，通过对制坯加热温度、锻造变形量的控制，得到组织均匀的环坯，而后进行预锻，预锻模具的设计目的为提前分配好各部位变形量，使其在终锻时零件各部位变形量满足30％-70％的要求，无变形死区或临界变形区的存在，使其零件各部位组织均匀。预锻及终锻采取软包套方式进行锻造，防止坯料温降过快，减少锻造冷模组织；采用对击锤进行预锻和终锻时，控制锤击节奏及间隔时间，预锻单击成型，每锤间隔时间2-5s，锻造变形量≥20％，终锻要求前5锤单击成型，每锤间隔时间3-5s，后续继续单击成型，每锤间隔时间2-4s，锻造变形量25％-60％，终锻温度控制≥910℃。最终制出所述锻件，通过所述工艺锻制出的GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀，力学性能优异且稳定，满足航空标准要求。

附图说明

图1为实施例1中发动机用封严环件终锻件示意图；

图2为实施例1中发动机用封严环件预锻件示意图。

具体实施方式

一种提高GH4169系高温合金环形模锻件组织均匀的锻造方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：制作两套模具，其中一套为终锻模、一套为预锻模，模具材料均为5CrNiMo；预锻模的型腔为圆环，型腔的上下两个端面均为从内向外逐渐向上倾斜；若采用常规的环坯直接终锻，上下模凸出位置处环坯变形方向为垂直平移，基本无变形，这部分形成变形死区，会导致晶粒粗大，性能下降。为了达到整体均匀的组织，变形量是重中之重，预锻模型腔的上下两个端面均为从内向外逐渐向上倾斜是为了与终锻时变形方向相反，加大终锻时该位置的变形量。预锻模上下两端面的倾斜角度与终锻变形量的关系如下：

步骤2：进行制坯一火锻造：把规格下料的GH4169系棒材在电炉中加热到980℃-1020℃的锻造温度保温至热透，预热自由锻锤锤砧≥150℃，在自由锻锤上完成变形量为30％-60％镦粗变形，后经过滚圆、冲孔完成制坯一火锻造，空冷至室温，机加内孔至要求尺寸，去除内孔毛刺及缺陷，得到第一环坯；

步骤3：进行制坯二火锻造：将第一环坯在电炉中加热至980℃-1020℃的锻造温度保温至热透，预热自由锻锤锤砧≥150℃，将坯料放置在马架扩孔工装上，经过自由锻锤扩大内孔尺寸得到第二环坯，马架扩孔环坯变形量为25％-40％，空冷至室温；马架扩孔主要沿径向局部锻造经旋转而成，在25％-40％的变形量这个范围内，金属内部发生动态再结晶，而且再结晶的程度较充分，能得到较好的等轴晶粒。

步骤4：利用预锻模对第二环坯进行预锻锻造：预热预锻模具≥250℃，将第二环坯在电炉中加热至980℃-1020℃的锻造温度保温至热透，热透后出炉采用合适尺寸的保温材料进行软包套，回炉保温0.5-1h后，在预锻模中采用对击锤进行锻造，单击成型，每锤间隔时间2-5s，锻造变形量为20％-30％，锻后空冷至室温，采用水切割方式去除毛边，得到预锻件；

步骤5：利用终锻模对预锻件进行终锻锻造：预热预锻模具≥250℃，将预锻坯料在电炉中加热至980℃-1010℃的锻造温度保温至热透，热透后出炉采用合适尺寸的保温材料进行软包套，回炉保温0.5-1h后，在终锻模中采用对击锤进行锻造，前5锤单击成型，每锤间隔时间3-5s，后续继续单击成型，每锤间隔时间2-4s，锻造变形量30％-70％，终锻温度控制≥910℃，锻后空冷至室温，采用水切割方式去除毛边，得到最终锻件；该火次采用对击锤锻造成型，对击锤变形速率大，坯料心部由变形引起的温升较高，前5锤采用单击成型，每锤间隔3-5s，是为了让每锤单击变形后产生的变形热及畸变能，在间隔3-5s的时间内，有助于变形热的传递及散失，部分变形热及畸变能能够迅速完成再结晶，控制坯料内部温度，防止温升过高而引起的晶粒粗大。在锤击5锤后，坯料整体温度散失因变形引起的热效应降低，此时，继续单击，缩短间隔时间2-4s，在终锻温度范围内完成坯料最终成型，获得完全再结晶的等轴晶粒，模锻件组织均匀的目的。

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示，某发动机用内锥前封严环锻件，材料为GH4169，锻件重量67Kg，锻件轮廓尺寸为Φ370×106mm，选用Φ250×230mm的GH4169棒材。

首先将Φ250×230mm棒材在电炉中加热到1020℃的锻造温度保温140min，在自由锻锤上镦粗至Φ320×140mm，后经过滚圆、冲孔完成制坯一火锻造，空冷至室温，机加内孔至要求尺寸，得到Φ330×Φ140×140mm的环坯；所述锻造过程锤砧预热至250℃，锻造设备为3T自由锻锤。

将上述所述环坯在电炉中加热至1010℃的锻造温度保温70min，将坯料放置在马架扩孔工装上，经过自由锻锤扩大内孔尺寸得到Φ380×Φ213×135mm的环坯，空冷至室温；所述锻造过程锤砧预热至250℃，锻造设备为3T自由锻锤。

再将上述所述环坯在电炉中加热至1010℃的锻造温度保温55min，出炉采用保温材料进行软包套，回炉保温0.5h出炉放入预锻模具中进行预锻，锤击次数8～10锤，每锤间隔～3s，锻后空冷至室温；所用预锻模具预热至300℃，锻造设备：400KJ对击锤，设备风压为0.6-0.5Mpa。

将上述所得的预锻件经过机加内孔和毛边，打磨排除缺陷后，在电炉中加热至1000℃的锻造温度保温50min，出炉采用保温材料进行软包套，回炉保温0.5h出炉放入终锻模具中进行预锻，锤击次数10～12锤，前五锤每锤间隔～4s，后续锤次每锤间隔～2s，锻后空冷至室温；所用终锻模具预热至300℃，锻造设备：400KJ对击锤，设备风压为0.6-0.5Mpa。

后续采用水切割方式机加内控毛边及毛边，得到最终锻件；经以上过程生产的锻件，经理化检测低倍组织均匀，各部位平均晶粒度均为6级，满足标准要求的≥4级，GH4169环锻件室温力学性能、高温拉伸性能、持久、硬度完全满足要求。